4-3影响断裂韧度的因素.ppt

1、第三节第三节 影响断裂韧度的因素影响断裂韧度的因素一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系1、韧性断裂模型、韧性断裂模型克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距间距( dT)的影响。的影响。ySdTrKIy2塑性区应变为塑性区应变为eyrEKEeIyy2r=dT时时dTEKeIy2ey=eb=n时时K = KCdT

2、EnKIC2钢中夹杂物对钢中夹杂物对KC影响影响.夹杂物越多夹杂物越多,间距越小间距越小, KC越小越小.ySdTrKIy2塑性区应变为塑性区应变为ey21*)(CfysICXEK2/1*)(cfsyICXEKn-应变硬化指数应变硬化指数Xc-特征距离特征距离,第二相质点间的平均距离第二相质点间的平均距离ys-屈服强度屈服强度*f-临界断裂应变临界断裂应变2、解理或沿晶脆性断裂、解理或沿晶脆性断裂特尔曼等人提出特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断裂强度材料解理断裂强度C,裂纹就失稳扩展裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂产生脆性断裂.取特征距离

3、为晶粒直径的两倍取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)2/102/1 1) 1exp(9 . 2SCSICK0 0 裂纹尖端曲率半径裂纹尖端曲率半径2/12/ )1 (2/ )1 ()/()(cnsyncICXKn-应变硬化指数应变硬化指数Xc-特征距离特征距离,23个晶粒尺寸个晶粒尺寸（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系静力韧度、冲击韧度、断裂韧度静力韧度、冲击韧度、断裂韧度度量材料韧性的指标度量材料韧性的指标应力集中程度、应力状态、加载速率应力集中程度、应力状态、加载速率tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹尔夫对中、高强度钢试验得到：茹尔夫对中、高强度钢

4、试验得到：)01. 0(79. 02/12 . 02 . 0KVICAKMPa.m1/2二、影响断裂韧度的因素二、影响断裂韧度的因素内因：成分、组织内因：成分、组织外因：温度、应变速率外因：温度、应变速率（一）、成分、组织的影响（一）、成分、组织的影响1、化学成分的影响、化学成分的影响细化晶粒元素细化晶粒元素 KIC KIC固溶强化元素固溶强化元素形成第二相元素形成第二相元素 KIC杂质元素杂质元素 KIC2 2、组织的影响、组织的影响钢钢基体组织基体组织的影响的影响M M、F F、晶粒大小晶粒大小细化晶粒细化晶粒 KIC第二相第二相和夹杂物的影响和夹杂物的影响 纯净度纯净度 KIC第二相第二

5、相: :少、圆、小、均少、圆、小、均碳化物粒状碳化物粒状 KIC回火组织的影响回火组织的影响回火回火TT KIC（二）、特殊热处理的影响（二）、特殊热处理的影响1 1、形变热处理、形变热处理A1A3MSTt高温形变高温形变低温形变低温形变高温形变热处理高温形变热处理低温形变热处理低温形变热处理A A好好33CrNiSiMnMo, 20%33CrNiSiMnMo, 20%KIC,16%16%0.20.230CrNi4Mo, 18%30CrNi4Mo, 18%KIC,26%26%0.20.22 2、亚温淬火、亚温淬火淬火加热温度在淬火加热温度在A A1 1-A-A3 3之间之间3 3、超高温淬火、

6、超高温淬火淬火加热温度远高于正常的加热温度淬火加热温度远高于正常的加热温度( (三三) )温度和应变速率的影响温度和应变速率的影响1 1、温度的影响、温度的影响T T KIC2 2、应变速率的影响、应变速率的影响应变速率应变速率 KICA+FA+F晶界晶界，晶界杂质浓度晶界杂质浓度F F溶解杂质溶解杂质第四节第四节 断裂韧度在工程中的应用断裂韧度在工程中的应用一、承载能力的计算一、承载能力的计算已知材料的已知材料的KIC和裂纹长度，计算允许的应力和裂纹长度，计算允许的应力二、材料的脆性评定和选材二、材料的脆性评定和选材KIC的高低的高低临界裂纹的长度临界裂纹的长度acaYKI三、材料的失效分析

7、三、材料的失效分析裂纹体的断裂强度裂纹体的断裂强度cK KCC第五节第五节 弹塑性条件下金属的断裂韧度弹塑性条件下金属的断裂韧度1、大范围屈服构件的断裂问题、大范围屈服构件的断裂问题中、低强度钢，中小截面尺寸的构件中、低强度钢，中小截面尺寸的构件210)(sckR2、中低强度钢的断裂韧度、中低强度钢的断裂韧度K1c的测试的测试21)(5 . 2yCKBy y /EB(mm)0.0050-0.0057750.0057-0.0062630.0062-0.0065500.0065-0.006844取取E=200GPa， s s=1000MPa=1000MPa则则B=75mm一、一、J积分原理及断裂韧

8、度积分原理及断裂韧度JC（一）（一）J积分的概念积分的概念裂纹扩展时的能量释放率裂纹扩展时的能量释放率AUG裂纹扩展时的能量释放率的积分表达式为裂纹扩展时的能量释放率的积分表达式为TdsxuwdyG BdsTuxyO 在单位厚度（在单位厚度（B=1）的）的型裂纹体型裂纹体应变能密度应变能密度w， 上任一点的作用力为上任一点的作用力为T在弹性状态下在弹性状态下U=Ue-WaWUGe)(dUe=wdV=wdA =wdA= =wdxdydUe=wdV=wdA =wdA= =wdxdydW=u.TBdswdxdydUUeeTdsudwW.TdsuwdxdyWUe.TdsxuwdyGTdsxuwdyG在

9、弹塑性条件下在弹塑性条件下,W表示弹塑性应变能密度表示弹塑性应变能密度TdsxuwdyJ在线弹性条件下在线弹性条件下,G =J 小应变条件下小应变条件下, J 积分与路径无关积分与路径无关BdsTuxyO wdyJJ 积分值反映了裂纹尖端区的应变能积分值反映了裂纹尖端区的应变能,即应力应变集中程度即应力应变集中程度（二）（二）J积分的能量率表达式积分的能量率表达式在线弹性条件下在线弹性条件下,G =J )(1aUBGJ)(1aUBJ在弹塑性小应变条件下在弹塑性小应变条件下G G：裂纹尺寸为：裂纹尺寸为a a的试样，扩展为的试样，扩展为a+da a+da 时系统时系统能量的释放率能量的释放率。J

10、：两个试样，一个：两个试样，一个a,a,另一另一个为个为 a+daa+da加载过程中加载过程中形变功之差与裂纹形变功之差与裂纹面积之差的比值面积之差的比值( (形变功差率形变功差率) )。（三）断裂韧度（三）断裂韧度J C及断裂及断裂J判据判据J 积分值反映了裂纹尖端区的应变能积分值反映了裂纹尖端区的应变能,即应力应变集中程度即应力应变集中程度wdyJ平面应变条件下平面应变条件下,外力达到破坏载荷时外力达到破坏载荷时,J 积分值积分值也达到相应的临界值也达到相应的临界值JCC JC:C:断裂韧度断裂韧度表示材料抵抗裂纹表示材料抵抗裂纹开始扩展开始扩展的能力的能力断裂断裂J判据判据J JCC裂纹就会开裂裂纹就会开裂在平面应变线弹性条件下在平面应变线弹性条件下（四）断裂韧度（四）断裂韧度J C和和KC、G C的关系的关系EKGJICICC22)1 (EKJICC22)1 (在弹塑性条件下在弹塑性条件下计算的计算的KC与实测的与实测的KC基本一致基本一致取取=0.25,E=200000MPaICICJK460二、裂纹尖端张开位移二、裂纹尖端张开位移(COD)及断裂韧度及断裂韧度 C裂纹尖端的应变量达到某一临界值时裂纹尖端的应变量达到某一临界值时,材料便会发生材料便会发生断裂断裂,因此因此应变量应变量也可作为材料断裂的判据也可作为材料断裂的判据